航空兵训练仿真技术及发展趋势

黄安祥,冯晓文

(空军指挥学院,北京 100097)

0 引 言

在新军事革命不断发展的新形势下,空军已由数量规模型逐渐演变成质量效能型,具体体现在：技术和主战装备上升到信息火力一体化,力量结构和编成进入到空天系统集成型,空军作战理论研究以远程精确打击和空天一体瘫痪为重点。新的作战理论、武器装备、战略战术,使战争形态变化极其迅速,如何预测及检验武器装备和战争参与者在战争中的效能,成为一个首要问题。过去 “从战争中学习战争”、“从历史中学习战争”的基本方法,已经越来越不适应新军事发展的需要。模拟仿真,被认为是第三种认识世界的有效途径,对于战争这种非常复杂又极其特殊的事物,更具有特殊的意义。利用战争模拟技术创造出来的 “虚拟实践”方法,可以使我们彻底改变以往研究军事问题的方式。我们可以 “从实验室中学习战争”、“从未来中学习战争”,而这个 “未来”,正是通过战争模拟系统在战争实验室中创造出来的。战争实验室,使反复实验某个军事理论,研究某一个战争问题,验证某种武器装备体系的作用,甚至完整地 “经历”一场战争成为可能。事实上,美国空军在1996年夏就开始启动作战实验室计划,目前共组建有信息作战、空间战斗、空中远征部队、指挥控制与作战管理、部队保护、无人机和空中机动7个作战实验室,美军近10年来参与的几场战争,都经过大量的战争模拟研究,而且发挥了关键的无以替代的作用。

信息化战争的复杂性,要求航空兵的训练和作战仿真必须按照全新的理念和思路进行。本文针对各国空军作战仿真技术发展的现状以及新技术的发展趋势,综述并进一步探讨了单机、多机对抗、作战单元、指挥以及协同等5大仿真系统。

1 单机仿真

为使现代军机形成战斗力,必须开发单机仿真系统。单机仿真系统除了完成基本驾驶术、特情处置外,重点开发火控、火器、电子对抗及信息战设备的使用,并为现代军机作战、训练、战法研究等提供辅助决策和必要的技术支持。

随着虚拟现实技术的发展,军机仿真系统也由低逼真度发展为高逼真度、由技术型 (基本驾驶术、特情处置、火控武器使用)上升到战术对抗型和具有虚拟战场环境的作战演练型,其主要特点是：

1)仿真环境的立体性。现代军机作战仿真的建模和显示都在三维或多维坐标系中进行,其战场描述范围具有立体性。

2)作战方式的多样性。现代军机作战所涉及到的武器类型、数量以及作战单位有其自身的特殊性,其交战方式包括空—空、空—地、地—空等方式。

3)定量分析的复杂性。空战仿真需要对作战飞机的机动、空战动作的选择、攻击条件的构成与判断等进行详细地描述。各种精确制导武器的仿真涉及到弹道学、攻击区理论、射击误差和命中精度分析等多种定量分析方法。

4)战术与技术的密切性。随着电子技术、隐身技术、精确制导技术、空空导弹技术的飞速发展,空战的观念、形式和战术都发生了很大的变化。因此,作战仿真训练需要解决两方面的问题：①如何把航空武器装备的技术优势转化为战术优势,使其变为真正的战斗力,即所谓的技术性向战术性转化的问题;②装备技术相对落后的一方如何“扬长避短”,运用合理的战术来弥补装备技术的差距,从而 “以劣胜优”,也就是战法研究的问题。

在单机仿真系统中按照功能和逼真度可分为全任务型、任务型和对手型3大类。

1.1 全任务型

全任务型仿真训练系统为飞行员提供改装训练、技术提高训练、特情处置训练、综合战斗科目训练、战术训练和战术的应用研究与开发等项目,任务覆盖率＞90%。具体可划分为技能和作战两大训练任务：

1)技能训练：以基本驾驶术训练为基础,同时完成视距空战、超视距空战、对地攻击、密集编队、机群协同作战、空中加受油、超低空飞行、复杂气象飞行及特情处置等训练任务。

2)作战训练：作战仿真是指运用各种定量方法,借助飞行仿真系统等先进电子设备,对现代军机作战过程中的战术运用、策略选择、新武器装备的战法及空战指挥决策等问题进行定性和定量分析,从而为现代军机作战、训练、战法研究等提供辅助决策和必要的技术支持。

为完成这两大任务,全任务型飞行训练仿真系统不仅要进行全面的功能仿真,还要通过设置软、硬件环境为受训人员提供逼真的训练氛围。针对现代军机设备复杂和仿真功能多等特点,可将总系统划分为多个分系统,便于模块化开发、集成和控制。图1显示了全任务型军机仿真系统的典型构成,包括座舱系统、仿真解算系统、主控制系统、全视野的视景系统、较逼真动感系统、电传操纵系统、人感系统、自动驾驶系统、电子对抗系统、火控系统、音响系统、诊断系统、智能化教员指挥台等,为飞行员提供了一个逼真的训练环境和良好的训练氛围。

1.2 任务型

图1 军机仿真系统组成结构框图Fig.1 System structure diagram

由于全任务型仿真系统研制费用高、规模大,搬迁难,不易于全方位配发到作战部队和跟随作战部队使用,因此,需要开发具有针对性的任务型(单任务或多任务)模拟器。任务型模拟器主要有两方面的作用：①关键设备的使用;②作战环境的预演。受训人员可以利用这种任务型模拟器熟悉新装备的操作使用技巧和作战性能,并通过 “机上演兵”的形式来研究和确立新装备的作战使用方法。例如在波黑战争期间,美军利用先进的计算机技术,将高分辨率卫星图像与波黑战场数字地图相结合,生成逼真的战场仿真环境,飞行员通过在这个虚拟的合成环境中演练,熟悉了预定飞行线路以及作战目标的特性,从而使美国空军只需出动原定飞行架次的50%就可以摧毁预定目标。

任务型仿真训练设备有仪表飞行训练、火控系统仿真、电子武器仿真等,其系统的总体结构可根据实际需求对全任务型仿真训练系统进行简化。

1.3 对手型或武器使用训练器

对手型或武器使用训练器是一种简易的火控武器模拟训练器。通常与主模拟器联机形成智能化的近距目标和超视距目标,既可以构成简易的多机对抗空战模拟训练环境,也可以单独用作武器部分系统设备的辅助训练。这类仿真设备的硬件较简单,可以模拟多个机种,例如可根据需要模拟幻影2000-5、F-16飞机等。

对手型或武器使用训练器由简易的驾驶和火控操纵设备环境,必要的座舱显示系统和视景系统环境构成。

2 多机空战对抗仿真

战争是一种全方面综合能力的对抗,空军尤其如此。在现代战争中,信息化的应用使空战对抗变得更为复杂。空战对抗型仿真系统为提高飞行员的对抗作战能力和在复杂危险环境下的心理素质提供了有效的训练工具。据美军统计,从未参加过实战的飞行员,在首次执行任务时生存的概率只有60%,但是经过计算机模拟对抗训练后,生存的概率可以提高到90%。

多机空战仿真系统由多台对应飞机型号的仿真器、必要的电磁环境以及教员指挥系统构成。鉴于目前的先进战机大多是两机编队为一个作战小组,进行超视距和视距内各种飞行机动、电磁信息、电子对抗和武器对抗,因此,在空战对抗仿真系统中,可以设计成2对2模式,即由四机构成的双机对抗,其它附加的各类武器 (包括飞机)可采用计算机生成兵力的技术,图2显示了一套多机对抗仿真系统的结构。

图2 简单的多机空战仿真结构Fig.2 Multi-planes combat simulation structure

高质量空战对抗仿真系统的建设是非常复杂的,既要有相应的高性能单机仿真器,又要对目前的许多技术进行重大改进,并且还要突破一些新的技术难点。其中应重点研究下述几项技术：

1)通用仿真软件平台。通用仿真软件平台可实现系统联网,从而进行体系作战训练。因此,运用现代高新技术开发基于网络化、适应不同机型飞机、具有全任务仿真功能的通用仿真软件平台是飞行仿真一个重点发展方向。

2)标准化的空战通讯协议。空战时各仿真系统单独解算,随着环境复杂程度的增加,其相互之间的通讯信息量也大量增加,同时还因战场态势的变化而有所改变。为了使整体系统稳定可靠的工作,必须制定出标准化的空战通讯协议。

3)全系统网络延迟。军机仿真系统是人在回路的仿真,最大的难题之一是全系统的延迟,战役级的延迟一般要求在6 s左右,而军机对抗仿真系统最大延迟≤30 ms。

4)各种电子对抗仿真模型的开发。空战对抗首先进行的就是电子对抗,需要良好的电子对抗模型,对抗解算模型是空战对抗的关键技术。

5)各种导弹等武器的效能分析仿真模型。空战对抗仿真必须开发精确的弹道模型和毁伤效能模型,这样才能真实反映对抗的效果。

6)统一的、随作战时间变化的动态视景数据库,人在虚拟环境的仿真。随着计算机网络技术的飞速发展,多武器仿真训练平台的技术日趋成熟,将各分散地域的军事仿真系统、计算机系统、训练环境产生器和有关设备连接为一个整体,形成在空间和时间上相符合的虚拟电子作战环境,受训人员不再局限在单独的人在回路的仿真,而是处于一个多武器、多兵种的虚拟环境 (包括战场环境和任务环境)中,通过这个虚拟环境可以实现体系对抗演练。

3 作战单元仿真系统

现代战争均是一体化作战,是围绕统一的作战目的,以各种作战单元、作战要素高度融合的作战体系为主体,充分发挥整体作战效能,在多维作战空间打击或抗击敌方的军事行动。作战单元系统仿真训练,通常采取实装系统与仿真系统相结合,依托一体化通信网络,将各类要素进行编组和部署,组织集中或异地分布式联网训练。一般可按照力量部署训练、分环节训练、连贯演练3个步骤进行。力量部署训练,就是根据演练条件,将各受训要素按一体化联合作战的要求进行作战编组、任务区分和实际部署,构建一体化作战要素系统。分环节训练,就是按作战流程和行动关节点,合理划分若干训练环节,分段组织实施训练,为连贯演练奠定基础。连贯演练,就是按演练课题连贯实施,训练的重点是各个环节的相互衔接与融合。作战单元训练系统的构成可根据部队的编制和任务需求进行配置。

基于目前各国空军的主要编制和装备建设,本文提出一种作战单元仿真系统的总体构成：以作战单元最高指挥员为核心,设置情报信息、指挥控制、联合打击、综合保障4个集成训练分队,每个分队由相应的小分队构成,见图3。4个训练分队的功能如下：

图3 作战单元仿真系统构成Fig.3 Battle unit simulation system structure

1)情报信息仿真。完成对各类作战信息的探测、传输、处理和分发训练,实现战场信息的顺畅流动和信息传输的无缝链接,实时准确生成战场态势图,并从信息的有效分发与使用中获得行动优势。

2)指挥控制仿真。完成战场态势实时共享、分布式任务规划与协调决策、实时作战评估等内容的训练,实现各种指挥控制信息顺畅流动和近乎实时的指挥控制。

3)联合打击仿真。将作战单元所辖分散配置的火力、兵力等最小作战单位,按照任务和作战要求集成为一体化打击系统。通过情报、指挥、打击一体化训练,作战行动自主式协调训练和打击力量快速重组训练,围绕战场需求和打击效果,实现打击力量的随机组合和精确打击。

4)综合保障仿真。将作战单元或体系后方指挥所、直属及下辖后勤、装备保障实体融合在一起,载入数字化信息保障系统,构成一体化综合保障系统。通过战场保障信息获取、综合保障态势图生成和分发、快速物流配送等内容的训练,实现实时、精确、动态的一体化保障。

作战单元训练仿真系统的主要目的是通过对各相关部门及人员进行综合作战训练,共同完成进攻、防空、空空、空地、地空、空降、电子、网络对抗等重大作战任务。各相关部门及人员包括飞行员、指挥员、作战、情报、通信、机要、领航、飞行管制、气象、雷达等业务参谋,以及政治、后勤、装备等人员。

4 作战指挥仿真系统

自古举兵兴师,胜败系于将帅。正因为指挥员及其指挥机关所组成的指挥系统是军队的灵魂和命脉,因此,敌我指挥系统的对抗成为双方对抗十分重要的组成部分,双方都试图首先瘫痪甚至摧毁对方的指挥机构。随着计算机技术及一系列相关高科技的迅速发展,指挥训练手段已从沙盘、实战演习、半实战半模拟演习,发展为纯模拟演习。研制指挥训练模拟系统对促进军事训练手段的现代化、作战指挥研究的科学性和指挥人员的高质量培训都有着十分重要的意义。指挥机构及指挥系统的训练包括两大任务：

1)指挥员训练系统。训练指挥员的战前布兵能力、作战中紧急状态的应变能力。

2)指挥机构保障系统。训练指挥机构关键人员在战争中出现紧急情况时的对策应变能力。

指挥员训练系统主要实现双方对抗训练。在教员的总导演下,可完成双方单个指挥员之间的对抗训练,以及双方指挥班子之间的对抗训练。既可对单个指挥员的作战方案、作战指挥艺术等作战行为进行考核,又可对双方指挥班子的作战谋略、作战效能进行评估。系统的主要功能框图见图4。

5 协同仿真系统

高技术条件下的局部战争是多军兵种的联合作战,空军将在其中担任极为重要的角色。为应对未来战争,除单兵种、单武器平台训练外,还需要从联合作战角度进行多兵种、多武器平台的协同与配合。如果采用实兵、实装训练模式,不仅费用高、周期长、组训难,而且由于缺乏真实的 “作战对象”和 “战场环境”,往往难以获得理想的效果。

为了有效解决这一问题,外军普遍采取了计算机网络技术,把各个单一的模拟系统或模拟器联接起来,构建成分布式任务训练 (DM T),进行一体化模拟训练,从而在系统集成中实现战斗力的整体提高。

分布式任务训练 (DMT),它是一种无缝的仿真基础设施,用于无约束的人在回路训练和部队在合成战场中联合预演。DMT是指由实况仿真、虚拟仿真和结构仿真共同组成的共享性训练环境,受训者可以个体或团体的方式进行各种层次的作战训练。例如,不同的受训者可以在不同的地点进行同样的训练,也可以进行内容完全不同的训练;可以自己独自地进行自行选定的项目训练,也可以进行团体间的对抗训练,即军事演习。在DMT环境下,受训者可以使用网络提供的任何一种武器或场景,实时互动地模拟各种复杂局面,逼真地展示各种可能发生的实战情形,从而为各军种根据各自的专业领域或具体部署参加综合演练创造了条件。所有这些,都有助于形成按需提供、实际自然的训练环境,并极大地打破经费、政治、地理、实际技术条件以及组织调度等环节的限制,提高训练的有效性,缩小与实战之间的差异。

根据指挥员训练的规模范围,分为战略指挥、战役指挥和战斗指挥等训练系统。

网络技术及相关标准协议是分布式任务训练(DMT)的中枢,经过10余年的发展,高层体系结构 (H LA)已被公认为是能够满足复杂系统仿真、实现异地互联的先进分布式仿真体系结构。它可以实现多种类型仿真系统间的仿真与命令、控制、通讯、计算机与智能系统的交互。HLA能提供更大规模的,将构造仿真、虚拟仿真、实况仿真集成在一起的综合环境,实现各类仿真系统间的互操作、动态管理、多点通讯、系统和部件的重用、以及建立不同层次和不同程度的对象模型。

一套典型的分布交互仿真体系主要包括若干仿真程序 (如涉及空军的飞行员操纵环境、威胁工作站、视觉系统、战术环境以及由教官/学员工作站控制的其它系统等),在 HLA中称为联邦成员,联邦成员之间通过网络进行交互。所有参与仿真的联邦成员和网络称为联邦。

“按照战斗中拟用的方式进行训练”,是开发分布式任务训练系统的总体指导思想。它意味着作战训练是战争在和平时期的一种显现,训练系统必须真实展现战争的全面性和综合性,而不能仅限于个别系统的单独模拟。从这个意义上讲,分布式任务训练代表着未来军事训练的总体发展趋势。

6 结 语

本文综述了5种航空兵仿真训练系统的功能、构成和关键技术。目前单机仿真技术已较成熟,研制生产的许多大、中型训练模拟装备产品已投入使用。在计算机网络技术的支持下,以分布式仿真和高层体系结构仿真等先进技术为基础的预研成果,也为多机对抗、作战单元、指挥以及协同等仿真系统的产品化研制打下良好的基础。今后重点研究的方向是：

1)虚实结合仿真技术的研究,将实兵实装演习与仿真器及人工合成的虚拟环境联系起来,利用仿真器产生动态的、直观的环境,配合仿真的地形、烟雾和 “敌人”的武器装备,使部队能够进行生动逼真的军事演习。

2)多分辨率训练仿真技术的研究,实现战术级仿真与战役级仿真的无缝结合,使飞行员、指挥员及其他战勤人员均能全身心地投入到虚拟作战环境中去,验证其战术思想和指挥效果。

3)充分利用云计算在解算复杂计算系统方面的强大计算和存储空间能力,开发基于云计算平台的航空兵训练仿真系统,实现多机之间的对抗训练和作为友机进行协同作战训练等模式。

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